连铸复合铝/镁复层材料界面反应层的大应变形变控制与改性

Interface is the most important microstructure for the clad materials. Al/Mg clad materials have seldom been produced by continuous casting, which offers the advantages of low energy consumption, low costs and a simple production procedure, due to lots of intermetallic compounds formed in the interface. Severe plastic deformation technology is used in this project to improve the characteristics of the Al/Mg bimetal interface, and obtain excellent bonding between the two alloys. Firstly, the Al/Mg clad ingot is prepared by direct chill semicontinuous casting. In this way, both alloys combine by means of direct connection of liquid phases. The reaction interfaces with different thickness are obtained by controlling the parameters, such as casting temperature, cooling rate, casting velocity et al. And the relationship between the interface thickness and the parameters are investigated. Then, the Al/Mg clad ingots are hot rolled with severe plastic deformations. The thick reaction interface is crushed to form a layer of dispersive particles and the matrix alloys contact with each other through the crack during the rolling processes. Attention is paid to the evolution of the microstructures of intermetallic compounds and the bonding mechanism of the two alloys. Microstructures, composition distribution, microhardness and bonding strength of the interfacial regions are systematically investigated. Effects of the rolling parameters and the reaction layer thickness on the interface properties are also studied. The research can offer a useful instruction for the further improvement of clad material properties with thick reaction interface, and enlarge the advantages and application of continuous casting technology to prepare clad materials.

界面是复层材料重要的微观结构。复合过程中界面产生的大量硬脆相严重降低结合强度，阻碍了连铸复合法在Al/Mg复层材料制备方面的应用。本项目提出采用大应变形变技术对连铸复合Al/Mg反应层界面进行轧制改性，迫使反应层碎化开裂、两侧基体金属挤入裂缝相互接触并结合，控制破碎后的金属间化合物在界面弥散分布，获得结合良好的多相复合界面。主要工作包括：1）采用连铸复合法，通过控制界面附近液态金属的凝固行为和反应速率制备具有不同厚度反应层界面的Al/Mg复层铸坯，而非抑制反应层形成，建立工艺参数与反应层厚度之间的数学联系。2）对Al/Mg复层铸坯进行大应变轧制，探讨轧制温度、形变量、应变速率、反应层厚度等对界面组织性能的影响规律，研究大应变形变过程中反应层破碎、分离等演变行为，获得界面改性及结合机理。为改善具有超厚反应层界面复层材料的性能提供新方法和理论基础，扩大连铸复合法制备复层材料的优势和应用范围。

Al/Mg复层板兼具了镁合金低密度、高比强度、良好阻尼性能以及铝合金优良的加工和耐蚀性能。铸造复合法制备复层材料具有成本低、流程短、效率高、且易实现冶金结合的优点。但由于Al/Mg金属间化合物形成温度低于熔体浇铸温度，铸造复合过程中两种金属会在界面反应生成大量硬脆中间相，严重影响结合性能。近年来研究者在工艺、设备等多方面进行了抑制界面反应的实验探索，但收效甚微。本项目结合铸造复合和大应变形变各自特点，提出利用大应变轧制技术对铸造复合Al/Mg界面进行改性的新方法。研究了Al/Mg反应层界面特征及元素扩散行为，等离子喷涂Ni中间层对铸造复合Al/Mg界面的影响，以及铸造复合Al/Mg复层材料多道次孔型轧制组织性能演变行为。结果表明：1）固态扩散时界面反应层生长速率满足抛物线公式；铸造复合时固相界面发生部分重熔和再凝固，铝镁原子相互扩散，界面生成Al3Mg2、Al12Mg17、Al12Mg17 +δ-Mg共晶层等反应层，其厚度随浇注温度增加而增加，超过1mm时在热应力作用下易开裂，裂纹主要位于Al3Mg2层。2）等离子喷涂Ni中间层有效阻碍了铸造复合时Al、Mg原子之间互扩散， Al-Ni和Mg-Ni界面实现冶金结合；但随浇注温度增加在Al-Ni和Mg-Ni界面分别形成Al-Al3Ni共晶层和Mg2Ni层，后者厚度远小于前者，这主要与凝固过程传热方向及表面氧化有关；若Ni中间层厚度太薄，在高温熔体作用下会与两层基体发生反应在界面形成较厚的复杂化合物层；Mg/Ni/Al界面剪切强度达23 MPa，较未处理的样品提高约50%。3）多道次孔型轧制时轧制截面应力分布不均，外层基体内部应力应变大于内层，且在界面存在应力突变现象；铸造Al/Mg界面反应层在轧制力的作用下破碎细化，两侧基体金属挤入裂缝形成接触并结合，随着轧制道次增加接触界面面积不断增加，两侧基体实现良好冶金结合，样品强度增加，界面脱粘现象逐渐降低。本项目研究为解决铸造复合Al/Mg界面结合强度偏低的问题提供的新的方法和思路，可进一步扩大连铸复合法制备金属复层材料的优势和应用范围。